直流配電系統(tǒng)接地故障分析與接地方式研究

黃志和

（福建宏瑞建設工程有限公司，福建 福州 350000）

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，居民用電負荷與工業(yè)用電負荷高速增長，這對城市的供配電系統(tǒng)有了更高的要求。在經(jīng)濟發(fā)達的大中型城市中，用電負荷密度不斷增加，但其供電容量的增長速度卻落后于用電負荷，導致居民供電不足現(xiàn)象時有發(fā)生，區(qū)域性配網(wǎng)供電緊張、供電質(zhì)量不高等問題突出，特別是在用電高峰期，用電密度和電壓激增[1]。另一方面，城市的高速發(fā)展導致城區(qū)的土地資源緊張，同時在城市規(guī)劃中可供建設供電廊道的土地十分有限，更是加劇了供配電不足的問題[2]。

1 直流配電系統(tǒng)接地故障分析

在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)中，交流配電一直占據(jù)主導地位，但城市發(fā)展帶來了電力用電需求的快速增長，現(xiàn)有通電走廊電力的負載能力有限，供小于求，出現(xiàn)供需不平衡[3]。同時，交流電在傳輸過程中本身會產(chǎn)生損耗，大量的低壓用電設備對交流電的使用不兼容，需要采用變換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這使得電能被大量浪費，并且在轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生了大量諧波電流，嚴重影響了電器設備的運行穩(wěn)定，造成大量的交流配電網(wǎng)絡故障，與用戶的需求相去甚遠[4]。因此，構建直流配電系統(tǒng)是確保供電質(zhì)量的有效途徑，是以配電系統(tǒng)整體為角度出發(fā)的全局性解決方案。直流配電系統(tǒng)接地故障主要分為3 大類，即交流電源側故障、直流網(wǎng)絡故障、負荷側故障。

1.1 直流配電系統(tǒng)交流電源側故障

在交流電源側故障中，交流電網(wǎng)是直流配電系統(tǒng)的主要電源，由于功率不足原因以及電流形式轉(zhuǎn)換的需要，采用AC/DC 換流器，在控制系統(tǒng)換流器調(diào)節(jié)過程中，正常情況下，其電流和電壓的數(shù)值比較穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)基礎波電壓曲線的相位和振幅達到不同功率形式的獨立調(diào)節(jié)，主要分為有功功率和無功功率，功率變化隨用電負荷的增加而增加，但當交流系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，如出現(xiàn)單相短路或者兩相短路故障，交流電壓的的幅值、電流和有功功率均會出現(xiàn)波動[5]。

在正常情況下，如果供電電源的電壓有效值為Um，那么從換流器輸出的三相交流電壓表示為Us=[UsaUsbUsc]，交流側電壓矢量軌跡線為標準圓形，各相分量見方程（1）：

如果電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)，經(jīng)過abc/αβ 變換后的電壓幅值見方程（2）：

當交流電源側系統(tǒng)失去平衡，如三相電壓不對稱故障等，交流側電壓矢量軌跡線為橢圓形，方程（2）中的電壓值將出現(xiàn)變化，混入了正負序分量，其表達式見方程（3）：

1.2 直流配電系統(tǒng)直流網(wǎng)絡故障

供電電網(wǎng)的直流網(wǎng)絡一般采用兩線制或者三線制，三線制比二線制增加了一條中性線電纜，剩余的兩相分別為正負電極。因此，其最容易發(fā)生的故障是極間短路或接地短路[6]。這些故障的研究均可以建立等效電路結構模型展開分析，當發(fā)生極間短路時，系統(tǒng)中的直流電路電壓與交流電路的電壓失去平衡，由于電容的作用，在瞬間狀態(tài)下電壓不會出現(xiàn)突變，但是當持續(xù)的電容放電后，電路出現(xiàn)欠阻尼震蕩現(xiàn)象，電壓和電流可以用方程（4）、方程（5）進行表達：

1.3 直流配電系統(tǒng)負荷側故障

在直流配電系統(tǒng)中，出現(xiàn)極間短路或者接地故障都會導致電容損毀，如果在故障發(fā)生后能及時消除故障，整個系統(tǒng)會逐步向原來的平衡狀態(tài)恢復，但這會造成電容電壓出現(xiàn)不可逆的損害，使得系統(tǒng)與初始狀態(tài)不一致，無法正常工作。當發(fā)生直流配線系統(tǒng)負荷載側故障時，VSC 直流側并聯(lián)的電容出現(xiàn)振動，電容對瞬間增大的電流和電壓進行充電存儲，隨后在極短的時間內(nèi)釋放，因此在線路中的電流幅值急劇增加，VSC 對LGBT 進行鎖定，以保證VSC 自身的穩(wěn)定和安全[7]。發(fā)生直流配電系統(tǒng)負荷側故障的電流、電壓見方程（6）、方程（7）：

2 不同接地方式下直流配電系統(tǒng)的故障分析

在直流配電系統(tǒng)的故障中，不同的接地方式對故障產(chǎn)生的影響、故障恢復過程均有所不同，本研究基于直流電網(wǎng)的故障特點，分析3 種主要的接地方式，分別是電容中點直接接地、部分站端電容中點高阻接地、全部站端電容中點高阻接地。

當直流配電系統(tǒng)電容中點直接接地時，換流站正極的電壓將在瞬間內(nèi)變?yōu)?，而負極內(nèi)的電壓變化過程則較為緩慢，逐步降低至-Udc。在整個系統(tǒng)中，離故障位置越近的換流站，其正極電壓的下降速率則越快，各個換流點正負極的電容電壓與對地電壓相同[8]。發(fā)生故障后，換流站的電流和電壓呈現(xiàn)不同的畸變，回路電流中含有零序分量，較大的零序電流流經(jīng)電阻導致電壓中會出現(xiàn)零序偏置。

當直流配電系統(tǒng)分站端電容中點高阻接地時，換流站的正負極電流、電壓與電容中點直接接地較為一致，即正極的電壓將在瞬間內(nèi)變?yōu)?，而負極內(nèi)的電壓變化過程則較為緩慢，逐步降低至-Udc。在整個系統(tǒng)中，離故障位置越近的換流站，其正極電壓的下降速率則越快，各個換流點正負極的電容電壓與對地電壓相同。與其他接地方式產(chǎn)生的故障有所不同，分站端電容中點高阻接地時故障的恢復過程，首先要經(jīng)歷正極電容放電，隨后負極充電的過程，整個恢復過程較慢。

當直流配電系統(tǒng)全部站端電容中點高阻接地時，換流站端由于電容的電阻較大，導致正極電容的放電過程不能有效進行，使得所有換流站的對地電壓都下降到零值以下。由于故障導致直流線網(wǎng)的正負極電壓失去平衡，但其不平衡大小與電容中點直接接地的電容電壓不相同，因此從另一個層面看來，這將有利于故障解除后電壓恢復，電位也自動恢復為地電位。

3 直流配電系統(tǒng)接地故障仿真分析

為了更好地模擬不同接地方式下，直流配電系統(tǒng)的接地故障特征，采用PSCAD 配電系統(tǒng)仿真軟件建立計算模型，模型的概圖見圖1。其中，系統(tǒng)的電壓為110 kV，聯(lián)結變變比按照系統(tǒng)電壓取值，大小為110/10，直流側額定電壓依據(jù)經(jīng)驗確定為20 kV，直流側額定電流則取值為0.5 kA，圖中有5 個換流器，所有換流器的直流電容為2 000 μF，其中①換流器和⑤換流器的換流電感為5.6 nH。

圖1 直流配電系統(tǒng)接地故障仿真分析模型

①換流器發(fā)生單相永久接地故障時，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的電流和電壓變化情況。從圖1 中可以看出，接地故障發(fā)生前，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的基頻電流和基頻電壓均為0，而發(fā)生接地故障發(fā)生后，①換流器右側M1 的電壓值為2 297.5 V，電流值為1 583.4 A，⑤換流器右側M5的電壓值為976.6 V，電流值為998.7 A，由此根據(jù)基頻功率方向可以確定①換流器發(fā)生了接地故障，而⑤換流器則運行正常。

發(fā)生并聯(lián)諧振接地故障時，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的電流和電壓變化情況。接地故障發(fā)生前，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的基頻電流和基頻電壓均為0，而發(fā)生接地故障發(fā)生后，①換流器右側M1 的電壓值為5 833.0 V，電流值為141.5 A，⑤換流器右側M5 的電壓值為5 321.8 V，電流值為6 671.3 A，由此根據(jù)基頻電流和電壓的輔助判斷準則和功率方向可以確定①換流器發(fā)生了接地故障，而⑤換流器則運行正常。

4 結論

與交流配電系統(tǒng)相比，直流配電系統(tǒng)在電能質(zhì)量和可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢，因此受到研究人員的關注和重視。本研究針對直流配電系統(tǒng)接地故障展開分析，采用仿真模擬軟件建立了多種不同接地方式，對在不同模式下的直流配電系統(tǒng)故障量進行研究，得出以下結論：

（1）直流配電系統(tǒng)接地故障主要分為3 大類，即交流電源側故障、直流網(wǎng)絡故障、負荷側故障。不同的接地故障會導致直流配電系統(tǒng)中的電路和電壓變化。

（2）直流配電系統(tǒng)存在3 種主要的接地方式，分別是電容中點直接接地、部分站端電容中點高阻接地、全部站端電容中點高阻接地。

（3）采用PSCAD 配電系統(tǒng)仿真軟件建立計算模型，分析不同接地方式下的電流和電壓變化情況，并根據(jù)基頻電流和電壓的輔助判斷準則和功率方向判定故障出現(xiàn)的位置。